邱昌勝
(中國石油中亞天然氣管道有限公司,北京 100007)
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OPC技術(shù)在天然氣管道SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用
邱昌勝
(中國石油中亞天然氣管道有限公司,北京 100007)
為確保SCADA系統(tǒng)對現(xiàn)場多個(gè)設(shè)備的控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和共享, 敘述了中亞天然氣管道中SCADA系統(tǒng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),遵循SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和易于維護(hù)的原則,在數(shù)據(jù)通信中使用了OPC技術(shù),制訂了最優(yōu)化和切合實(shí)際的數(shù)據(jù)通信方案,保證了中亞天然氣管道安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)OPC協(xié)議天然氣管道
中亞天然氣管道是落實(shí)國家“一帶一路”的油氣產(chǎn)業(yè)合作項(xiàng)目,起始于土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境的格達(dá)伊姆地區(qū),并穿越烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦境內(nèi),在新疆維吾爾自治區(qū)霍城縣進(jìn)入中國境內(nèi),與同期建設(shè)的西氣東輸二線和三線銜接。目前C線壓縮機(jī)站場正在建設(shè)當(dāng)中,已經(jīng)投入運(yùn)行的AB線在哈薩克斯坦境內(nèi)共設(shè)5座壓氣站和33座RTU閥室,每年將來自于土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦的清潔能源天然氣輸入中國,滿足中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的能源需要。5座壓縮機(jī)站場的SCADA系統(tǒng)已經(jīng)安全平穩(wěn)運(yùn)行了多年,為中亞天然氣管道的生產(chǎn)運(yùn)行提供了有力保證。
SCADA系統(tǒng)是對分布距離遠(yuǎn),生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制的系統(tǒng),在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備或裝置使機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。SCADA系統(tǒng)包含了兩層結(jié)構(gòu): 第一層為過程控制層,負(fù)責(zé)現(xiàn)場儀器的數(shù)據(jù)采集和工藝過程的邏輯控制系統(tǒng);第二層為生產(chǎn)管理層,負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)處理和顯示。為了保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行,自動控制系統(tǒng)中通過各種儀器儀表和各種生產(chǎn)控制設(shè)備,能自動調(diào)節(jié)、檢測現(xiàn)場的各種生產(chǎn)參數(shù)并進(jìn)行生產(chǎn)的無人工干預(yù),增加了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,同時(shí)降低了成本和勞動強(qiáng)度,保證了生產(chǎn)安全。但這些生產(chǎn)控制設(shè)備往往來自不同的生產(chǎn)商,硬件的控制單元采用了不相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和通信規(guī)約,與其連接的應(yīng)用程序之間的接口也難以有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這給系統(tǒng)集成商的控制系統(tǒng)硬件集成帶來了難度,導(dǎo)致SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信的互操作性和穩(wěn)定性差。
中亞天然氣管道采用了某著名廠商的SCADA系統(tǒng),底層控制模塊通過對現(xiàn)場各種智能儀表的數(shù)據(jù)采集并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理,按照預(yù)訂的控制方案對天然氣管道的輸送進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,確保管道的安全持續(xù)運(yùn)行。上位機(jī)部分的人機(jī)界面作為SCADA的應(yīng)用管理程序,也是系統(tǒng)的重要組成部分,負(fù)責(zé)控制信息的處理,包括過程參數(shù)的實(shí)時(shí)通信、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲和顯示等,特別是壓縮機(jī)站場的壓縮機(jī)設(shè)備的各種參數(shù),都要能夠正確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)共享,便于阿拉木圖調(diào)度中心對全天然氣管道的數(shù)據(jù)監(jiān)控。
同時(shí),SCADA系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格,這樣能使生產(chǎn)監(jiān)控人員隨時(shí)查看生產(chǎn)過程數(shù)據(jù),以便快速做出判斷并發(fā)出控制指令。在中亞天然氣管道項(xiàng)目中使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫有著友好的人機(jī)畫面,支持各種工業(yè)數(shù)據(jù)通信接口,為了能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示和控制生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)共享,在該項(xiàng)目中主要設(shè)備的數(shù)據(jù)通信使用了OPC協(xié)議。OPC技術(shù)作為一種新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),定義了統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口,能夠簡單地實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備和控制系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。在中亞天然氣管道項(xiàng)目中,最重要的控制設(shè)備是壓縮機(jī),而不同廠家的設(shè)備有著不同的自有通信協(xié)議和外部通信接口,因而與SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的選擇就非常重要。SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)示意
由圖1可知,針對SCADA系統(tǒng)的PLC控制器和壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的通信規(guī)約不同,信息共享存在一定困難,結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況使用了OPC技術(shù)的解決方案。
2.1OPC技術(shù)特點(diǎn)
OPC協(xié)議作為公開發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有如下的技術(shù)特點(diǎn):
1) 數(shù)據(jù)接口具有開放性。OPC協(xié)議是基于微軟Windows中的OLE/COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)過程控制中的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)化,支持Internet網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問,結(jié)合OPC協(xié)議的安全機(jī)制,保證了數(shù)據(jù)能夠安全地在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。
2) 數(shù)據(jù)具有互聯(lián)性。OPC協(xié)議里面規(guī)定了一系列開放接口,支持OPC接口的第三方應(yīng)用軟件系統(tǒng)都可以與這些接口進(jìn)行自由的數(shù)據(jù)交換,簡化了工業(yè)控制中的所有數(shù)據(jù)通信問題。
3) 數(shù)據(jù)交換具有高效性。OPC協(xié)議能夠高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交換,支持多用戶的數(shù)據(jù)請求,并具有高速的數(shù)據(jù)傳輸性能,同時(shí)也適合需要采集大量動態(tài)過程變量的場合。
4) 應(yīng)用成本低。設(shè)備開發(fā)者可以使自控設(shè)備數(shù)據(jù)接口的開發(fā)簡單化和單一化,使用通用的開發(fā)工具,不必開發(fā)特別的接口,使得設(shè)備接口開發(fā)簡單易行。而作為最終用戶,可以方便地對不同的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級和管理。
在實(shí)際的生產(chǎn)使用中,OPC的服務(wù)器可以分為多種類型,經(jīng)常用的有數(shù)據(jù)存取(OPC DA)、報(bào)警和事件(OPC AE)、歷史數(shù)據(jù)存取(OPCHDA)和批量過程。在工業(yè)過程的分布式自動化中基本都支持OPC的結(jié)構(gòu)體系,可以按照OPC的規(guī)范編寫一定的代碼,就可以與大多數(shù)的DCS以及SCADA系統(tǒng)等產(chǎn)品所帶的OPC服務(wù)器連接成功,取得所需的數(shù)據(jù)。
2.2OPC技術(shù)引用性分析
在中亞天然氣管道SCADA系統(tǒng)中,與第三方通信的協(xié)議有多種。但結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際需求,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換和遠(yuǎn)程信息的實(shí)時(shí)傳輸,簡化通信規(guī)約、降低系統(tǒng)維護(hù)成本、擺脫不同的設(shè)備束縛,充分利用OPC技術(shù)的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換:
1) 增強(qiáng)SCADA系統(tǒng)的兼容性。OPC協(xié)議是以COM技術(shù)為基礎(chǔ),與編程代碼語言和操作系統(tǒng)無關(guān),同時(shí)對于OPC協(xié)議接口的執(zhí)行具有重用性。當(dāng)系統(tǒng)需要增加新的控制功能時(shí),只需要增加新的OPC客戶端接口即可,不需要對原有的服務(wù)器進(jìn)行更改,可以實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)的兼容性,大幅提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重用性。
2) 增加SCADA系統(tǒng)的可靠性。OPC協(xié)議采用了客戶端/服務(wù)器模型,該模型將服務(wù)器和客戶端分離,可以使用不同的硬件和軟件結(jié)構(gòu),客戶端的任何使用不會影響服務(wù)器端的正常運(yùn)行,使SCADA系統(tǒng)具有較高的可靠性,便于系統(tǒng)維護(hù)。同時(shí),SCADA系統(tǒng)中不同的應(yīng)用系統(tǒng)利用同一個(gè)OPC接口訪問設(shè)備,也避免了不同的驅(qū)動程序獲取同一設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給設(shè)備的運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定。在中亞天然氣管道的控制系統(tǒng)中,對同一數(shù)據(jù)源最少有2個(gè)客戶端在讀取數(shù)據(jù),站場的SCADA系統(tǒng)和阿拉木圖調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)都直接通過OPC接口對現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3) 增強(qiáng)SCADA系統(tǒng)集成性。OPC協(xié)議是以面向?qū)ο鬄樵瓌t,全面封裝了服務(wù)器對象接口的功能,只對客戶端提供統(tǒng)一的接口方法和屬性,需要讀取數(shù)據(jù)的客戶端只需要遵從OPC協(xié)議規(guī)范,就可以直接進(jìn)行相互的通信,使數(shù)據(jù)通信變得透明,同時(shí)也使系統(tǒng)的集成變得簡單。增加或減少客戶端可以變得相對簡單,不會影響原有系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
4) 增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。由于中亞天然氣管道穿越了4個(gè)國家,在各個(gè)國家內(nèi)的SCADA系統(tǒng)各不相同,而統(tǒng)一調(diào)控中心位于北京,因而需要將過程控制數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。OPC協(xié)議利用了DCOM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程過程調(diào)用,提高了相互通信的程序?qū)Σ煌h(huán)境的適應(yīng)性,便于北京調(diào)控中心的系統(tǒng)配置和擴(kuò)展。
通過對OPC技術(shù)的研究和分析,OPC技術(shù)在中亞天然氣管道的SCADA系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。在中亞天然氣管道的SCADA系統(tǒng)架構(gòu)中,對于壓縮機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換就是利用OPC協(xié)議,同時(shí)對于現(xiàn)場的SCS,ESD和FGS系統(tǒng)則使用了OPC技術(shù)中的OPC DA和OPC AE進(jìn)行讀取和處理。
站場的SCADA系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)有壓縮機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)段和SCADA系統(tǒng)網(wǎng)段,這是2個(gè)不同的網(wǎng)段。OPC協(xié)議在不同的網(wǎng)段之間使用了DCOM技術(shù),首先需要在壓縮機(jī)的OPC服務(wù)器上進(jìn)行DCOM配置,然后在SCADA系統(tǒng)客戶端上安裝OPC客戶端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。其中對壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)讀取大約有300點(diǎn),而SCADA系統(tǒng)的控制點(diǎn)有5000點(diǎn)。OPC技術(shù)的應(yīng)用完全符合數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求,同時(shí)也保證了SCADA系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。
中亞天然氣管道中OPC技術(shù)得到了成功的應(yīng)用,在實(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)行中,根據(jù)生產(chǎn)的需要增加和擴(kuò)展了許多應(yīng)用功能,例如管道水利模擬系統(tǒng)以及準(zhǔn)備投用和使用的SCADA報(bào)表系統(tǒng)。OPC技術(shù)在中亞管道SCADA系統(tǒng)中的成功應(yīng)用,既增強(qiáng)了SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時(shí)也保證了中亞管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
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Application of OPC Technology in Natural Gas Pipeline SCADA System
Qiu Changsheng
(PetroChina Zhongya Natural Gas Pipeline Co. Ltd., Beijing, 100007, China)
Abstracts: To ensure realization of data communication and sharing for SCADA system to control units of multiple equipments, the data communication system structure of current used SCADA in Zhongya natural gas pipeline is described. Following principles of real time data and easy maintenance for SCADA system, the optimized and practical data communication scheme is formulated with application of OPC technology in data communication to ensure safe and stable operation of Zhonya natural gas pipeline.
data collecting and monitoring system;OPC protocol;natural gas pipeline
邱昌勝,男,現(xiàn)就職于中國石油中亞天然氣管道有限公司,從事天然氣管道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。
信息技術(shù)
TP273
B
1007-7324(2016)04-0040-03
稿件收到日期: 2016-01-11,修改稿收到日期: 2016-06-10。